Uplatnění monolitického tepelně izolačního betonu v praxi

Pohledový monolitický tepelněizolační beton není sice běžným stavebním materiálem, ale je v posledních letech využíván evropskými architekty pro ztvárnění velmi zajímavých staveb. Výhodou tohoto betonu je zejména možnost využití pohledového betonu současně v exteriéru i interiéru bez přidání tepelných izolací. Na druhou stranu je vhodné si uvědomit, že tento druh betonu patří z hlediska technologie výroby, ukládání a ošetřování mezi náročnější aplikace, a je proto nutné na tento fakt brát zřetel již při přípravě stavby.

Technologie monolitického tepelněizolačního betonu a jeho aplikace v Evropě

Třípatrový dům ve švýcarském kantonu Graubünden

Obr. 1: Pohled do interiéru domu Ing.Arch Gartmanna v Churu

Průkopníkem této technologie je švýcarský inženýr a architekt Patrick Gartmann, který je znám svou zálibou v betonu. V roce 2005 byl dokončen jeho projekt třípatrového domu v blízkosti Churu, v kantonu Graubünden (na východním úpatí hory Hochwang, vysoké 2532 m). K tomu, aby byl schopen realizovat svůj monolitický koncept, si architekt vybral izolační liaporbeton (obr. 1). Použitá receptura obsahovala lehké kamenivo Liapor a granulát z expandovaného skla Liaver. Při stavbě svého rodinného domu přitom Patrick Gartmann využil spolupráce s Danielem Mayerem ze společnosti Liapor Švýcarsko, který zahájil řadu laboratorních pokusů k nalezení nejvhodnější receptury. Favorizované prototypy litého betonu následně prošly přísnými testy EMPA. Použitý izolační liaporbeton má hodnotu tepelné vodivosti 0,32 W/(mK). Projekt Dům Gartmann, Chur obdržel za skvělé komplexní dílo skládající se z architektonické myšlenky a použitého inovačního izolačního liaporbetonu ocenění Stříbrný zajíc za nejlepší výkon v architektuře 2004. Toto ocenění každý rok uděluje uznávané švýcarské grémium tvořené z architektonického časopisu „Hochparterre“, švýcarské televize DRS a Muzea umělecko-průmyslové tvorby. [1]

Rodinný dům v Berlíně

Obr. 2: Obytný dům v Berlíně, Prenzlauer Berg

Obr. 4: Centrum Švýcarského národního parku v Zernezu

Další zajímavou aplikací této technologie je rodinný dům prof. Dr. sc. techn. Mika Schlaicha ve východní části Berlína, který v podstatě slouží jako testovací objekt k vědeckým účelům. Společně se svým týmem a v úzké spolupráci se společností Liapor vyvinul na Technické univerzitě v Berlíně ultralehký beton, který s kamenivem Liapor dosahuje vynikajících tepelněizolačních hodnot při objemové hmotnosti kolem 800 kg/m³. Dům, do kterého se rodina Schlaichových mohla nastěhovat v létě 2007 po sotva ročním trvání stavby, se prezentuje jako moderní architektonický objekt s puristickou kvádrovou formou. Východní a západní strana budovy sestává kompletně ze stěn z pohledového betonu, severní a jižní strana se vyznačuje fasádou z trámů a hrázděním s velkými, výraznými skleněnými plochami a panely z eloxovaného hliníku (obr. 2). Pro výrobu betonu byl použit Liapor frakce 1–4 a 4–8 mm a drcený Liapor frakce 0–2 mm německé výroby, který dodatečně zvyšuje tepelně-technické vlastnosti betonu. Tento beton vykazoval velice dobré tepelněizolační vlastnosti – součinitel tepelné vodivosti 0,2 W/(mK). Lehký beton dosahuje pevností, které se přibližují pevnosti lehkého betonu LC8/9. Zajímavé u projektu bylo především to, že konstrukční a stavebně-fyzikální detaily byly přizpůsobeny vlastnostem materiálu a postupovalo se jiným způsobem, než je jinak u železobetonových staveb obvyklé. Ke snížení jinak nevyhnutelných smršťovacích trhlin byla jako výztuha použita skleněná vlákna. Tak se podařilo nejen vyřešit problémy s korozí výztuže, ale i zabránit tepelným mostům. Uvnitř byly stěny z pohledového betonu ponechány v přirozeném vzhledu. [2]

Nové Centrum Švýcarského národního parku

Obr. 3: Pohled na bílý monolitický izolační beton použitý na budově nového centra Švýcarského národního parku v Zernezu (zdroj Liapor GmbH Švýcarsko)

Další švýcarskou aplikací je nové centrum Švýcarského národního parku v Zernezu od architekta Valeria Olgiatiho, který pracuje v Curychu a Los Angeles. Budova se skládá ze dvou krychlí o třech podlažích, které jsou vzájemně spojeny jedním rohem tělesa. Zvláštností u této budovy je bílá barva, která byla dosažena použitím bílého cementu. Použitá receptura byla velmi podobná receptuře u domu Patricka Gartmanna, neboť na tomto projektu pracoval opět Daniel Mayer ze společnosti Liapor Švýcarsko. Budova obsahuje celkem šest sálů pro veřejnost [3].

Vlastnosti tepelně izolačního liaporbetonu

Vlastnosti čerstvého betonu a základní fyzikálně-mechanické vlastnosti ztvrdlého betonu

Vylehčení betonu se provádí dvěma způsoby – lehkým kamenivem a napěněním cementové matrice. Co se týká lehkého kameniva, lze použít buď samotné kamenivo Liapor nebo kombinaci kameniva Liapor a Liaver. Liapor je kamenivo na bázi expandovaných jílů vypalované při teplotě 1200 °C. Liaver je minerální, ekologická surovina bez vláken s rovnoměrnou strukturou jemných pórů a z větší části uzavřeným povrchem. Příznačné pro Liapor i pro Liaver jsou nízké objemové hmotnosti materiálu, ze kterých vyplývají vynikající tepelně izolační vlastnosti. Tím pak může izolační liaporbeton dosahovat nízké objemové hmotnosti pod 1000 kg/m³. Pórovitost charakteristická jak pro Liapor, tak pro Liaver zabezpečuje výbornou tepelnou izolaci. Napěnění cementové matrice se docílí použitím napěňujících přísad. Existuje mnoho variant receptur tohoto typu betonu a místně se jeho vlastnosti mohou lišit, což je dáno právě použitými surovinami v dané lokalitě. Před návrhem konstrukce z tohoto betonu je doporučeno na určené betonárce provést průkazní zkoušku betonu.

Vlastnosti receptury použité v podmínkách České republiky

Obr. 5: Grafické znázornění pevnostních charakteristik betonu

Vlastnosti uvedené dále v textu jsou naměřeny na receptuře použité v podmínkách České republiky. Použitá receptura obsahovala lehké kamenivo Liapor tuzemské výroby frakce 1–4 a 4–8 mm, cement portlandský pevnostní třídy 42,5, popílek, superlastifikátor na bázi polykarboxylátů a napěňující přísadu s vodním součinitelem 0,25. Objemová hmotnost čerstvého betonu byla 1050 kg/m³, konzistence byla měřena obráceným Abramsovým kuželem, průměr rozlitého koláče byl 650 mm. Objemová hmotnost ztvrdlého betonu ve vysušeném stavu se pohybovala mezi 900 a 950 kg/m³, s přirozenou vlhkostí do 1000 kg/m³. Pevnostní charakteristiky jsou znázorněny na obrázku 5.

Obr. 6: Časový průběh dynamického modulu pružnosti, statický modul pružnosti; 1) uloženo ve vodním normovém prostředí; 2) uloženo v suchém laboratorním prostředí

Časový průběh dynamického modulu pružnosti a statický modul pružnosti jsou uvedeny na obrázku 6. Odpad po zkoušce odolnosti povrchu betonu vůči vodě a CHRL se po 50 cyklech pohyboval do 500 g/cm². Po 100 cyklech byl již beton zařazen do stupně 4 – silně narušený. Úbytek hmotnosti po zkoušce mrazuvzdornosti po 100 cyklech byl na úrovni 92 %, úbytek pevnosti v tlaku na úrovni 90 %. Napěněním struktury betonu dochází ke zvýšení jeho objemu o 17 až 20 %. Stanovením charakteristik vzduchových pórů (Spacing factor) se tyto hodnoty víceméně potvrzují.

Tyto výsledky ale do určité míry ovlivňuje fakt, že při míchání betonu se vždy částečně podrtí lehké kamenivo a do výsledků tedy mohou vstupovat póry rozdrcených částeček lehkého kameniva. Obsah mikroskopického vzduchu (do 300 μm) se ale pohybuje kolem 6 %.

Metodou horkého drátu byl u receptury stanoven koeficient tepelné vodivosti λ = 0,24 W/m.K.

Odolnost vůči agresivním prostředím

Zkušební tělesa z těchto receptur byla podrobena působení vybraných typů agresivních prostředí, a to vodě obsahující CO₂; roztoku síranů SO₂ a hořečnanů Mg²⁺.

Ve stáří 28 dnů byly na vybraných vzorcích jednotlivých receptur odzkoušeny základní fyzikálně-mechanické vlastnosti. Ostatní vzorky byly uloženy do chemicky agresivních prostředí, kde byly exponovány po dobu 180 dní. Po uplynutí této doby byly na vzorcích provedeny fyzikálně-mechanické zkoušky (pevnost v tlaku, pevnost v tahu za ohybu, objemová hmotnost, dynamický a statický modul pružnosti, mrazuvzdornost, odolnost povrchu betonu vůči působení vody a chemických rozmrazovacích látek, objemové změny) a fyzikálně-chemické zkoušky (chemická analýza, rentgenová difrakční analýza a difrakčně-termická analýza). Koncepce fyzikálně chemických analýzy byla volena tak, aby bylo možno exaktně posoudit míru degradace betonu. Podrobný postup stanovení míry korozního narušení analyzovaných vzorků byl proveden dle metodiky Matoušek, Drochytka [6], která podává přehled o mikrostruktuře daného materiálu.

Obr. 7: Srovnání pevnosti v tlaku vzorků uložených po dobu 180 dnů v agresivních prostředích

Obr. 8: Srovnání změn pevnosti v tlaku vzorků uložených po dobu 180 dnů v agresivních prostředích

Na základě těchto výsledků byly porovnávány změny vlastností lehkého betonu vlivem agresivních prostředí a byl porovnáván vliv použití jemných příměsí na trvanlivost betonu. Konstantní hodnota koncentrace agresivní látky v roztoku při uložení vzorků byla udržována pravidelným obměňováním s periodou 7 dní. Kapalná prostředí měla teplotu 20 ±2 °C. Charakteristiky jednotlivých prostředí jsou uvedeny v tabulce 1. Některé výsledky jsou naznačeny v tabulce 2 a na obrázcích 7 a 8. Tyto výsledky mají spíše informativní charakter, neboť doba uložení 180 dní není plně vypovídající. V současné době jsou tělesa nadále uložena v jednotlivých agresivních prostředích. Kompletní výsledky budou vyhodnoceny po 12 a 24 měsících.

Pozn: Odchylka pevnosti je brána k referenčním vzorkům uložených 180 dní ve vodním uložení, odchylka objemové hmotnosti je brána v porovnání ke vzorkům o stáří 28 dní.

Závěr

Monolitický izolační beton s využitím kameniva na bázi expandovaného jílu zajišťuje žádoucí statické a požadované tepelně izolační hodnoty pro monolitické nosné tepelně izolační konstrukce, u kterých se nemusí používat dodatečná izolace ani jakékoliv jiné úpravy povrchů. Od parotěsných zábran, izolace nebo omítky se naprosto upouští. Stavební fáze se tak zkracuje na odstranění bednění a vysušení stavebního prvku. Monolitickou konstrukci je třeba navrhnout tak, aby zabránila tvorbě tepelných mostů. Docílené betonové povrchy jsou homogenní a jemně strukturované, není třeba je dále upravovat nebo dodatečně zušlechťovat. Estetický dojem, jež vyvolávají, odpovídá dnešnímu duchu doby.

Obr. 9: Fotografie z experimentálních betonáží in-situ

Obr. 10: pohled na čerstvý neuložený beton

Při technologii výroby, ukládání a ošetřování existují určité odlišnosti, které je třeba akceptovat, např. tak jako u jiných typů lehkých betonů s využitím lehkého pórovitého kameniva se jedná o vyřešení nasákavosti lehkého kameniva. Použitím předmáčeného lehkého kameniva se dosáhne stabilnějšího reologického chování čerstvého betonu a lépe se reguluje napěnění cementové matrice. Tento monolitický izolační beton lze ukládat badiemi. Nelze ho čerpat, čímž se zpomaluje samotná rychlost betonáže a musí se s tím tedy počítat již při návrhu samotné konstrukce. Doba zpracovatelnosti se podle okolních podmínek (zejména počasí) pohybuje od 60 do 90 minut. Zejména vysoké letní teploty nejsou vhodné. Aby byly splněny tepelně-technické požadavky, stěna z tohoto typu betonu musí být cca 60 cm silná. Lehké kamenivo Liapor má výraznou tepelně akumulační schopnost, a proto může při vyšších teplotách prostředí docházet po uložení čerstvého betonu do bednění k velkému nárůstu teploty samotného betonu.

Velmi důležité je dodržovat technologickou kázeň při hutnění betonu ponornými vibrátory. Pokud se během vibrace vibrátor dotýká stěn bednění, dochází k vadám povrchu. Také kontakt s výztuží není vhodný. Po odformování se doporučuje povrch betonu opatřit kvalitním hydrofobizačním nátěrem. Problematika z hlediska pohledového betonu je natolik široká, že ji nelze v tomto příspěvku komplexně popsat. Je samozřejmě nutné brát zřetel na faktory jako složení, doprava, ukládání a hutnění betonu, okamžik odbednění, kvalita samotného bednění, ošetřování atd. Protože se ve své podstatě jedná o formu mezerovitého betonu, je vhodné primárně ochránit výztuž. Tuto hypotézu potvrzují první výsledky odolnosti betonu vůči agresivním prostředím.

Závěrem lze konstatovat, že je třeba u tohoto typu betonu překonat některá technologická úskalí. Je ale patrné, že se tento inovační ultralehký beton výborně osvědčuje i v praxi.

Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu MPO FI-IM5/016 Vývoj lehkých vysokohodnotných betonů pro monolitické konstrukce a prefabrikované dílce a za přispění Centra integrovaného navrhování progresivních stavebních konstrukcí (CIDEAS, projekt 1M6840770001), financovaného MŠMT ČR.

Foto archiv Liapor GmbH (1), Liapor GmbH Švýcarsko (2) a Michala Hubertová (7)

Literatura

• [1] Liapornews 2/2005. Liapor GmbH Pautzfeld, www.liapor.com.
• [2] Liapornews 1/2008. Liapor GmbH Pautzfeld, www.liapor.com.
• [3] Sonderdruck aus Bau & Architektur, 6/2008. Liapor Schweiz Vertriebs GmbH.
• [4] Liapornews 3/2007. Lias Vintířov, Lehký stavební materiál, k. s., www.liapor.cz.
• [5] Hubertová, M.: Monolitický izolační beton. Beton TKS, 8/2008, samostatná příloha Povrchy betonu.
• [6] Matoušek, M. – Drochytka, R.: Atmosférická koroze betonu. IKAS Praha 1998.